- Để phân tích các thành phần của môi trường, chúng em đã làm ra thiết bị phân tích cảm biến môi trường cho phép người dùng có thể phát hiện kịp thời và xử lý sự cố về ô nhiễm môi trường
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TH.HCM
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY
🙠🕮🙢
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: MÔI TRƯỜNG VÀ CON NGƯỜI
ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẢM BIẾN PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG
GVHD: TS TRẦN NGUYỄN DUY PHƯƠNG Lớp: L09
Nhóm: 1
Sinh viên thực hiện: Ngô Mạnh Trung
MSSV: 2213695
Tp Hồ chí minh, tháng 4 năm 2024
Trang 2MỤC LỤC
A LỜI MỞ ĐẦU 4
B LỜI CẢM ƠN 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 5
1.1 Lý do lựa chọn đề tài 5
1.2 Giới thiệu đề tài 5
1.3 Mục tiêu 5
1.3.1 Mục tiêu cá nhân 5
1.3.2 Mục tiêu sản phẩm 5
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH 6
2.1 Nguyên lý hoạt động 6
2.2 Sơ đồ khối linh kiện 6
2.3 Sơ đồ mạch 7
2.4 Hình ảnh thực tế 7
CHƯƠNG 3: PHẦN CỨNG 8
3.1 Arduino Uno R3 DIP 8
3.1.1 Giới thiệu 8
3.1.2 Thông số kỹ thuật 8
3.1.3 Các ứng dụng của Arduino 10
3.2 Cảm biến bụi (GP2Y1010AU0F) 11
3.2.1 Giới thiệu 11
3.2.2 Thông số kỹ thuật 11
3.2.3 Sơ đồ dây 12
3.3 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22) 12
3.3.1 Giới thiệu 12
Hình ảnh 5: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22) 12
3.3.2 Thông số kỹ thuật 13
3.3.3 Sơ đồ dây 13
3.4 Màn hình LCD 16x02 14
3.4.1 Giới thiệu 14
3.4.2 Thông số kỹ thuật 14
Trang 3CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 15
4.1 Giới thiệu 15
4.2 Quy trình thực hiện 16
4.2.1 Quy trình 16
Bước 1: Khai báo biến và thư viện 16
4.3 Kết quả 17
4.3.1 Màn hình hiển thị 17
4.3.2 Ghi nhận kết quả: 17
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18
5.1 Kết luận: 18
5.2 Hướng phát triển đề tài: 18
CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO 18
Trang 4A LỜI MỞ ĐẦU
Thế giới ngày càng hiện đại, khoa học kĩ thuật cũng được ứng dụng ngày càng nhiều vào đời sống Bởi vậy, nhu cầu sử dụng các sản phẩm kĩ thuật của con người ngày càng tăng, nhất là đối với các thiết bị nhằm bảo vệ và quản lý môi trường
Những thiết bị xung quanh chúng ta hằng ngày là những thiết bị cần thiết phải đảm bảo
an toàn nhất, như hệ thống điện, nước, khí gas, cảm biến môi trường,…Tuy đã có nhiều sản phẩm ra đời nhằm đảm bảo an toàn cho các hệ thống này nhưng chúng cũng chưa thật sự phổ biến trong các hộ gia đình bởi giá cả và chất lượng chưa phù hợp
Với tâm thế luôn muốn học hỏi và giúp đỡ, chúng em luôn muốn góp một phần công sức của mình để đem lại lợi ích cho môi trường sống xung quanh chúng ta Vì vậy, với những kiến thức đã tìm hiểu và học hỏi trong môn học Môi trường và con người, chúng em xin được giới thiệu sản phẩm “Hệ thống cảm biến phân tích môi trường”
B LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án, chúng em đã được tìm hiểu và bổ sung các kiến thức
về thiết kế cũng như thi công thiết bị “Hệ thống cảm biến phân tích môi trường”
Bởi sự hạn chế về thời gian thi công đồ án cũng như kiến thức nên đề tài của chúng em cũng chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bằng mô hình Trong thời gian thực hiện đồ án chúng em đã tham khảo ý kiến từ các tài liệu, kinh nghiệm của các anh chị khoá trước và những sự hỗ trợ, góp ý của giảng viên Tuy nhiên do kiến thức của bản thân còn hạn chế nên cũng khó lòng tránh khỏi các sai sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp
ý của thầy cô để có thể cải thiện sản phẩm và rút ra được những kinh nghiệm quý giá, từ đó có thể thực hiện các đồ án tiếp theo được tốt hơn trong tương lai
Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với thầy Trần Nguyễn Duy Phương - giảng viên trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã trực tiếp hỗ trợ và tận tình hướng dẫn, bổ sung các kiến thức cần thiết nhằm giúp đỡ chúng em thực hiện đồ án này
Trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi mọi sai sót, rất mong nhận được
sự góp ý và thông cảm từ thầy cô và các bạn
Trang 5CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Lý do lựa chọn đề tài
- Tuy ngày nay công nghệ đã phát triển vượt bậc nhưng có những vấn đề về môi trường vẫn luôn là những thứ khó lòng tách ra khỏi đời sống con người Xuất phát từ những tình hình thực
tế và ý tưởng đem lại nhằm phân tích môi trường xung quanh để đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân về các vẫn đề như ô nhiễm, chúng em đã chọn đây là đề tài chính trong đồ án môn học
- Để phân tích các thành phần của môi trường, chúng em đã làm ra thiết bị phân tích cảm biến môi trường cho phép người dùng có thể phát hiện kịp thời và xử lý sự cố về ô nhiễm môi trường
1.2 Giới thiệu đề tài
- Hệ thống phân tích cảm biến môi trường nhằm mô phỏng, phỏng đoán tình trạng của môi trường Giúp chúng ta nhận biết được các thông số về độ ẩm, nhiệt độ,… để có thể kiểm soát được tình trạng môi trường xung quanh
1.3 Mục tiêu
1.3.1 Mục tiêu cá nhân
- Nắm bắt được cấu trúc phần cứng, sơ đồ khối, nguyên lý làm việc của mạch điều khiển
- Biết cách để làm một đồ án hoàn chỉnh
- Biết lập trình căn bản Arduino
1.3.2 Mục tiêu sản phẩm
- Hoạt động ổn định
- Kích thước nhỏ gọn, thẩm mỹ
- Giá thành phù hợp với người tiêu dùng
Trang 6CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH
2.1 Nguyên lý hoạt động
- Mô hình giám sát và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm(DHT22) và cảm biến bụi(GP2Y1010AU0F)
sử dụng bo mạch chính Arduino Uno R3 DIP kết hợp cùng với màn hình LCD hiển thị thông
số về nhiệt độ, độ ẩm và bụi
- Cảm biến DHT22 và cảm biến GP2Y1010AU0F phân tích môi trường sau đó gửi tín hiệu
về bo mạch xử lý, sau đó gửi các thông số đến màn hình LCD
2.2 Sơ đồ khối linh kiện
Cảm biến DHT22
Arduino Uno R3 DIP
Cảm biến GP2Y1010AU0F
Màn hình LCD
Trang 72.3 Sơ đồ mạch
2.4 Hình ảnh thực tế
Trang 8CHƯƠNG 3: PHẦN CỨNG
3.1 Arduino Uno R3 DIP
3.1.1 Giới thiệu
Hình ảnh 1,2: Arduino Uno R3 DIP
(1)Arduino là một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O
kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau
- Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến
và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++
3.1.2 Thông số kỹ thuật
+ Điện áp hoạt động:5V, nếu dùng từ nguồn ngoài qua jack cắm DC thì khuyên dùng từ 7-9V nếu điện áp lên tới 12V thì IC ổn áp rất nóng và dễ hư mạch
Trang 9+ Số chân Analog: A0-A5
+ Số chân Digital:
14 chân
+ UART: 1
+ I2C: 1
+ SPPI: 1
+ Dòng điện DC trên mỗi chân I/O: 20mA
+ Dòng điện DC cho chân 3,3V: 50Ma
+ Bộ nhớ flash: 32KB trong đó 0,5KB được bộ nạp khởi động sử dụng
+ SRAM: 2KB
+ EEPROM: 1KB
+ Tốc độ :16Mhz
+ Trọng lượng: 25gram
+ Có một đèn LED tích hợp được điều khiển bởi chân số 13 Khi chân có giá trị cao, đèn LED
sẽ sáng, khi chân thấp, đèn sẽ tắt
+ Vin: Điện áp đầu vào cho bảng Arduino / Genuino khi nó đang sử dụng nguồn điện bên ngoài (trái ngược với 5 volt từ kết nối USB hoặc nguồn điện được điều chỉnh khác) Có thể cấp điện áp qua chân này, hoặc nếu cấp điện áp qua giắc cắm nguồn
+ IOREF: chân này trên bảng Arduino / Genuino cung cấp tham chiếu điện áp mà bộ vi điều khiển hoạt động Một tấm chắn được cấu hình thích hợp có thể đọc điện áp chân IOREF và chọn nguồn điện thích hợp hoặc cho phép bộ dịch điện áp trên các đầu ra hoạt động với 5V hoặc 3.3V
+ Mỗi chân trong số 14 chân kỹ thuật số và 6 chân tương tự trên Uno có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, dưới sự điều khiển của phần mềm (sử dụng các chức năng pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ()) Chúng hoạt động ở 5 volt Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận 20 mA như điều kiện hoạt động được khuyến nghị và có điện trở kéo lên bên trong (ngắt kết nối theo mặc định) là 20-50K ohm Không được vượt quá mức tối đa 40mA trên bất kỳ chân I / O nào để tránh hư hỏng vĩnh viễn cho bộ vi điều khiển Uno có 6 đầu vào tương tự, có
Trang 10nhãn A0 đến A5; mỗi cung cấp 10 bit độ phân giải (tức là 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định, chúng đo từ mặt đất đến 5 vôn, mặc dù có thể thay đổi đầu trên của dải bằng cách sử dụng chân AREF và hàm analogReference ()
+ Serial/UART: chân 0 (RX) và 1 (TX) Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) dữ liệu nối tiếp TTL Các chân này được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB-to-TTL ATmega8U2
+ Ngắt ngoài: chân D2 và D3 Các chân này có thể được cấu hình để kích hoạt ngắt trên giá trị thấp, cạnh tăng hoặc giảm hoặc thay đổi giá trị
+ PWM (chế độ xung): các chân D3, D5, D6, D9, D10 và D11 Có thể cung cấp đầu ra PWM
8 bit với hàm analogWrite ()
+ SPI (giao diện ngoại vi nối tiếp): chân D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO) và D13 (SCK) Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng cách sử dụng thư viện SPI
+ TWI (giao diện I2C): chân SDA (A4) và chân SCL (A5) Hỗ trợ giao tiếp TWI bằng thư viện Wire
+ AREF (tham chiếu tương tự): điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự
3.1.3 Các ứng dụng của Arduino
+ Xoscillo: oscilloscope mã nguồn mở
Các thiết bị khoa học
+ Arduinome: một thiết bị điều khiển MIDI bắt chước Monome
+ OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn đoán on-board được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đại
+ Thiết bị đọc sách cho con người: thiết bị điện tử giá rẻ với đầu ra TV có thể chứa một thư viện năm ngàn cuốn sách (ví dụ như các biên soạn offline Wikipedia) trên một thẻ nhớ microSD
+ Ardupilot: software / hardware máy bay không người lái
+ ArduinoPhone
Trang 113.2 Cảm biến bụi (GP2Y1010AU0F)
3.2.1 Giới thiệu
Hình ảnh 3: Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F
- Cảm biến bụi Optical Dust Sensor PM2.5 GP2Y1010AU0F được sản xuất bởi hãng SHARP, được sử dụng để nhận biết nồng độ bụi PM2.5 trong không khí, nguyên lý hoạt động dựa trên LED phát hồng ngoại tích hợp bên trong cảm biến, khi có bụi vào thì sẽ bị khúc xạ , làm giảm đi cường độ tia hồng ngoại ==> điện áp thay đổi
+ Cảm biến bụi GP2Y1010AUOF là loại cảm biến được sử dụng để nhận biết nồng độ bụi trong không khí
+ Cảm biến này hoạt động dựa trên hệ thống cảm biến quang học Nó sử dụng một diode phát hồng ngoại (IRED) và một phototransistor được sắp xếp chéo vào thiết bị này, khi có bụi vào thì sẽ bị khúc xạ làm giảm đi cường độ tia hồng ngoại dẫn đến việc điện áp thay đổi
+ Cảm biến này có khả năng phát hiện ánh sáng phản chiếu của bụi trong không khí Đặc biệt,
nó hiệu quả trong việc phát hiện các hạt rất nhỏ như khói thuốc lá, và thường được sử dụng trong hệ thống lọc không khí
3.2.2 Thông số kỹ thuật
+ Nguồn: 3.3 VDC
+ Dòng tiêu thụ: 10mA
+ Ngõ ra: analog với tỉ lệ 0.5V ~ 0.1mg/m3
+ Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 85 độ C
Trang 123.2.3 Sơ đồ dây
Hình ảnh 4: Sơ đồ dây của cảm ứng bụi GP2Y1010AU0F
3.3 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22)
3.3.1 Giới thiệu
Hình ảnh 5: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22)
- Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT22 Temperature Humidity Sensor ra chân là phiên bản ra chuẩn chân cắm thông dụng 2.54mm hàn sẵn trên mặt in với trở kéo dễ dàng sử dụng, ứng ụng
đo độ ẩm, nhiệt độ môi trường với độ chính xác cao, cảm biến có chất lượng tốt, độ bền và độ
ổn định cao
+ Đây là loại cảm biến thông dụng tích hợp vừa đo được nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác khá cao Giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp 1 dây
Trang 13+ Module truyền dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây nên dễ dàng kết nối và lấy dữ liệu Module được thiết kế hoạt động ở mức điện áp 5V
+ Công dụng của loại cảm biến này là cung cấp thông tin về nhiệt độ và độ ẩm môi trường
Nó hoạt động trong khoảng từ −40℃ đến 80℃ cho nhiệt độ và từ 0% đến 100% cho độ ẩm, với độ chính xác ±0.5°C và ±1%
+ Cảm biến này sẽ giúp chúng ta theo dõi các biến đổi về nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường
3.3.2 Thông số kỹ thuật
+ Nguồn sử dụng: 3~5 VDC
+ Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
+ Đo tốt ở độ ẩm 0100%RH với sai số 2-5%
+ Đo tốt ở nhiệt độ -40 to 80°C sai số ±0.5°C
+ Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây 1 lần)
+ Kích thước 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05" x 2.32" x 0.53")
+ Chân tín hiệu: 5VDC(+) | OUT | GND (-) (chân out nối trực tiếp với chân giao tiếp của VĐK không cần trở kéo vì đã có sẵn trên mạch)
3.3.3 Sơ đồ dây
Hình ảnh 6: Sơ đồ dây của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT22)
Trang 143.4 Màn hình LCD 16x02
3.4.1 Giới thiệu
Hình ảnh 7: Màn hình LCD 1602
- Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án
3.4.2 Thông số kỹ thuật
+ Điện áp hoạt động là 5 V
+ Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
+ Chữ đen, nền xanh lá
+ Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard
+ Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện + Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn
+ Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Trang 153.4.3 Sơ đồ dây
Hình 8: Sơ đồ dây của màn hình LCD 1602
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM LẬP TRÌNH
4.1 Giới thiệu
- Các môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE) là một nền tảng ứng dụng (ví của Windows, MacOS, Linux) mà được viết bằng chức năng từ C và C++ Nó được sử dụng để viết và tải chương trình lên bảng tương thích với Arduin, ngoài ra, với sự trợ giúp của lõi bên thứ ba, bảng phát triển của nhà cung cấp khác
- Mã nguồn cho IDE được phát hành theo Giấy phép Công cộng GNU, phiên bản 2 Arduino IDE hỗ trợ các ngôn ngữ C và C ++ bằng cách sử dụng các quy tắc cấu trúc mã đặc biệt Arduino IDE cung cấp thư viện phần mềm từ dự án Wiring, cung cấp nhiều thủ tục đầu vào và đầu ra phổ biến Mã do người dùng viết chỉ yêu cầu hai chức năng cơ bản, để khởi động bản phác thảo và vòng lặp chương trình chính, được biên dịch và liên kết với một chương trình gốc main () thành một chương trình điều hành tuần hoàn có thể thực thi với chuỗi công cụ GNU, cũng được bao gồm trong phân phối IDE Arduino IDE sử dụng chương trình avrdude để chuyển đổi mã thực thi thành tệp văn bản ở dạng mã hóa hệ thập lục phân Chương trình này được tải vào bảng Arduino bằng chương trình nạp trong phần sụn của bảng Theo mặc định, avrdude được sử dụng làm công cụ tải lên để flash mã người dùng lên bảng Arduino chính thức